מי מאיתנו שגדלו בשנות ה-80 וה-90, ובהם כותב שורות אלה, יכולים להעיד על הקצב המסחרר של השינויים בעולם הֶתקני אחסון הנתונים, בייחוד הניידים. בהתחלה השתמשנו בדיסקטים (תקליטונים) – שבעצמם החליפו את הכרטיסים המנוקבים – אך מקץ שנים לא רבות, הגיעו הדיסקים. ואז, בשנת 2000, צץ הדיסק און קי, פרי המצאתו של היזם הישראלי דב מורן. מאז גם הוא נעלם, למעט הופעות אורח פה ושם.
את מקומם של כל ההתקנים הניידים הקשיחים האלה, כמו גם את מקומו של הדיסק הקשיח של המחשב, ממלאים במידה רבה שירותי הענן, והעתיד מי ישורנו, אולי בין היתר באחסון מידע ב-DNA. כמובן, דינו של כל מידע להישמר בסוף על חומרה קשיחה כלשהי, אי שם בחוות שרתים מרוחקת, ולכן גלגלי המחקר והטכנולוגיה אינם נחים בדרך לייעול נוסף של אחסון המידע. כעת נמצאת על הפרק שיטה חדשה לאחסון מידע, המבוססת על שכבות רבות של חומר רגיש לאור שמידע נחרט עליו באמצעות לייזר.
קפיצה אסטרונומית בהיקף המידע המאוחסן
כוננים קשיחים וגם התקני דיסק-און-קי, שהם פשוט כוננים קשיחים זעירים בטכנולוגיה ספציפית, סובלים מבלייה. כפי שסיפרנו מעל דפי אתר זה בעבר, מוליכים-למחצה, עליהם מתבססים בין השאר הכוננים הקשיחים, הם טכנולוגיה של שנות ה-50. התקנים אלה משמשים אותנו גם היום, אבל הם צורכים כמויות גדולות של אנרגיה, עלויות התפעול שלהם גבוהות וחיי המדף שלהם קצרים. אם נוסיף לסיבות האלה את הגידול המהיר בהיקף השימוש במחשבים ובכמות המידע המאוחסן, נבין שהצורך בשכלול ובחשיבה מחוץ לקופסה בתחום אחסון המידע גדול יותר מאי פעם.
חשיבה מחוץ לקופסה אמרנו? ליתר דיוק, חשיבה מחוץ למישור. הדיסקים הישנים והטובים הם משטחים דו-ממדיים, והמקום שבהם מוגבל בהתאם לכך. אבל מה יקרה אם נוכל ליצור מכל ערמת דיסקים מעין דיסק-על תלת-ממדי? רגע, קבלו את זה: כל דיסק יהיה זעיר ביותר, ננו-דיסק. בוודאי נוכל לאחסן כך כמויות הרבה הרבה יותר גדולות של מידע!
ובכן, קו מחשבה דומה למדי הוביל כעת קבוצה של חוקרים מסין, שפרסמו בכתב העת היוקרתי Nature את הצעתם היצירתית כיצד לאחסן כמויות עצומות ובלתי נתפסות של מידע, שנמדדות בסקאלה של פטה-בייטים. כל פטה-בייט הוא למעשה מיליון מיליארדי בייטים – מאה מיליון גיגה-בייט או מאה טרה-בייט. לשם השוואה, הדיסקים שנהגנו להשתמש בהם לצורך התקנה של תוכנות או משחקי מחשב היו בשיאם – אי שם באמצע שנות האלפיים – בנפח של גיגה-בייט (בייט הוא 8 ביטים). רבים מהמחשבים הביתיים והמשרדיים הנמכרים כיום כוללים דיסק קשיח שגודל הזיכרון שלו אינו חוצה את הרף של טרה-בייטים אחדים. הקפיצה המוצעת היא אסטרונומית.
כתיבה וקריאה של מידע באמצעות לייזר
בבסיס עבודתם של החוקרים נמצאת היכולת לייצר יחידות אחסון זעירות – ננו-דיסקים – שניתן לכתוב עליהן ולקרוא מהן מידע באמצעות לייזר, בדומה למה שקורה בדיסקים המוכרים לנו. הטכניקה המקורית, שפותחה בשנות ה-60 של המאה ה-20, נקראה בראשי התיבות ODS (אחסון מידע אופטי, Optical Data Storage). הטכניקה החדשה המוצעת נקראת AIE-DDPR (Aggregation-Induced Emission Dye-Doped Photoresist). המילה "פוטורזיסט" מלמדת על שילובו של חומר הרגיש לאור, למעשה פילם דק שאפשר לחרוט עליו מידע באמצעות לייזר.
שיטה זו שוברת מחסום פיזיקלי חשוב, הנקרא "גבול העקיפה" (Diffraction limit). עקיפה היא תופעה גלית שבה הגל, במקרה הזה אור, פוגש עצם קטן או חריר שממדיו דומים לאורך הגל עצמו. כתוצאה מכך קרני האור מתעקמות ונוצר למעשה גל חדש. כאשר האור מתעקם, התמונה שהוא יוצר מטושטשת. לפיכך, תופעת העקיפה מגדירה גבול: מהם הפרטים הקטנים ביותר שמערכת אופטית יכולה להבחין בהם. ממש לאחרונה טענו במגזין Nature כי אף ששיטת קריאת המידע המתוארת כאן כבר שברה את הגבול הזה, הרי שטכניקות וטכנולוגיות עתידיות שישברו את גבול העקיפה עוד צופנות גדולות ונצורות בתחומי הפענוח של מבנים ביולוגיים כגון חלבונים, DNA ועוד.
כאשר הגל, במקרה הזה אור, פוגש עצם קטן או חריר שממדיו דומים לאורך הגל עצמו, קרני האור מתעקמות ונוצר למעשה גל חדש. ואכן, כבר לפני כמה עשרות שנים הצליחו שטפן הל (Hell), אריק בציג (Betzig) וויליאם מורנר (Moerner) לפתח טכניקת מיקרוסקופיה ברזולוציית-על אשר שברה את גבול העקיפה, ועל כך הוענק להם פרס נובל לכימיה ב-2014. המחקר החדש שובר את הגבול בהיבט של אחסון מידע בצפיפות גבוהה וברזולוציה גבוהה.
ה-"דיסק" החדש שפותח כולל מאה שכבות של פילם שעוביים נמדד בננומטרים, המידע נחרט על כל אחת מהן בנפרד והן נערמות זו על גבי זו באופן מסודר ויוצרות מבנה תלת-ממדי. בכל שכבת פילם, המורכבת מחומר רגיש לאור, משולב פיגמנט צביעה (Dye) ייחודי. הלייזר חורט תבניות המקודדות את המידע בכל שכבה ושכבה על ידי הפעלה והפסקה של תהליך כימי של פִּלמוּר (Polymerization), כלומר קשירת מולקולות קטנות לשרשרות ארוכות, המתרחש על גבי הפילם; התהליך יוצר תבנית מסוימת של חריטה, שמורכבת מ"נקודות" שממדיהן קטנים מגבול העקיפה. קריאת המידע נעשית אף היא באמצעות הלייזר ובעזרת פיגמנט הצביעה הפלואורסצנטי, שפולט אור כתוצאה מחשיפה לאור.
יחלוף עוד זמן-מה עד שהתקנים מסוג זה יגיעו למדפים, אך כבר כעת ברור שהם מציעים כמה יתרונות, מעבר ליכולת הברורה לאחסן יותר מידע: הם יוכלו לשמש לבניית כוננים בעלי תוחלת חיים ארוכה מאוד ומחשבים דקים יותר מהקיימים כיום. גם צריכת האנרגיה הכרוכה בהפעלת ההתקן עתידה להיות נמוכה בהרבה בהשוואה לשיטות הנפוצות כיום, כמו התקנים מבוססי מוליכים-למחצה. לפיכך, מעבר להישג בתחום הטכנולוגיה של נתוני העתק, מדובר בפתרון בר-קיימא מבחינה אקולוגית וזול ונגיש כלכלית. בקרוב (יחסית) בחנויות הקרובות לביתכם.
יהונתן ברקהיים, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
